扫描隧道显微镜（STM）于20世纪80年代问世以来，先后出现了一系列测量分辨率可达原子量级的检测技术和测量仪器，随着纳米科技的不断发展，迫切需要在较大尺度范围内，具有纳米分辨率的测量仪器，分子测量机正是基于上述应用背景提出来的。要保证纳米精度的尺寸测量精度，温度的影响已经成为重要的影响因素之一，所以恒温装置是分子测量机实现大表面范围内高分辨率、高精度测量目标的重要核心部件之一，因此本文选择对分子测量机恒温装置的关键技术进行研究，具有重要的理论意义和实用价值。本文以分子测量机为背景，通过研究分子测量机的总体结构，包括分子测量机的工作环境、核心机构的结构、真空系统的结构和隔振系统的结构，在此基础上对分子测量机的恒温装置进行了设计。基于传热学的相关理论对分子测量机恒温装置的传热过程进行了理论推导和分析；针对铂电阻温度传感器在恒温装置中的测量不确定度进行了研究，设计出了符合亚mK测量精度的温度测量电路，并针对铂电阻温度传感器的自热效应提出一种基于脉冲电流法激励的铂电阻测温方法，建立了一个修正铂电阻测温非线性误差的曲线拟合算法，并利用该算法实现铂电阻测温非线性误差补偿；利用ANSYS软件对恒温装置的温度场进行了数值模拟，研究了恒温装置温度场的均匀性，核心机构内热源、恒温装置材料发射率、温度控制壳尺寸等对温度场的影响；建立了恒温装置的控制模型、恒温装置执行机构的非线性模型；研究了恒温装置的加热特性；针对恒温装置各项技术指标的控制要求，将变论域自适应模糊PID控制算法应用到恒温装置中，设计出不同的伸缩因子，利用MATLAB软件对基于不同伸缩因子的控制算法进行了仿真分析，仿真验证了基于模糊规则伸缩因子的变论域控制算法在恒温装置的温度控制中有良好的控制效果、抗干扰性和对系统参数变化的自适应性。